Atmosphère

Le mot atmosphère (du grec ἀτμός, vapeur, air, et σφαῖρα, sphère). Au sens large, il sert à désigner l'enveloppe externe d'une planète ou d'une étoile et qui est constituée essentiellement de gaz neutres et d'ions (ou plasma). À première vue, cela semble simple. Les gaz, cependant, ne se comportent pas comme un liquide ou un morceau de roche dont on peut déterminer la surface de séparation avec le milieu ambiant : il est , en effet, impossible d'indiquer l'endroit précis où finit l'atmosphère et où débute l'espace interplanétaire. Dès qu'ils ne sont plus retenus par la gravitation, les gaz "s'échappent" vers l'espace, fuyant en permanence le corps céleste. La Terre, Vénus, Mars, Pluton et trois satellites de géantes gazeuses (Titan, Encelade et Triton) ont aussi une atmosphère qui enveloppe leur surface. De plus, les géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, et Neptune) sont essentiellement composées de gaz. D'autres corps célestes du dispositif solaire tels que la Lune (sodium), Mercure (sodium), Europe (oxygène) et Io (soufre) possèdent une très fine atmosphère. La planète naine Pluton est aussi pourvue d'une enveloppe gazeuse quand elle est au plus près du Soleil, mais ces gaz sont solidifiés sur la plus grande partie de son orbite.

Atmosphère normalisée

Cet article traite de l'atmosphère normalisée. La température et la pression fluctuent d'un point à l'autre de l'astre, planète ou satellite, et selon sa météorologie. Or, ces valeurs ont une grande importance dans de nombreux processus chimiques et physiques, surtout en ce qui concerne les mesures. Il faut par conséquent définir des «conditions normales de température et de pression» (CNTP), le terme «normal» renvoyant à «norme» (valeur arbitraire de référence acceptée par consensus), et non pas «habituel». On parle aussi de «température et pression normales» (TPN). De nombreuses valeurs sont données pour ces conditions.

On parle aussi de «conditions ambiantes». Le terme «ambiant» est ambigu, puisque la température «habituelle» dépend du climat et de la saison. Il faut par conséquent aussi définir la notion de «condition ambiante de température et de pression».

Ceci amène à la définition plus générale d'«atmosphère normalisée». En effet, la température et la pression de l'atmosphère fluctuent selon la position sur le globe, de l'altitude et du moment (saison, heure de la journée, conditions locales de météorologie, …). Il est par conséquent utile de définir des valeurs «normales» de pression et de température selon l'altitude.

Formule du nivellement barométrique

La formule du nivellement barométrique décrit la répartition verticale des molécules de gaz dans l'atmosphère de la Terre, et par conséquent la variation de la pression selon l'altitude.

On parle ainsi d'un gradient de pression vertical, mais qui ne peut être décrit mathématiquement qu'en approximations, à cause de la dynamique du climat dans l'atmosphère inférieure. Sur Terre, en première approximation, on peut supposer que près du niveau de la mer, la pression diminue d'un hectopascal lorsque l'altitude augmente de 8 mètres.

Composition

La composition d'origine de l'atmosphère d'une planète dépend des caractéristiques chimiques et de la température de la nébuleuse mère durant la formation du dispositif solaire. Par la suite, la composition exacte de l'atmosphère d'une planète dépend de la chimie des gaz qui la composent et des apports de gaz par le volcanisme. Les interactions entre ces différents gaz dépendent quant à elles de la température et des types de radiations solaires atteignant la planète. Ainsi Mars et Vénus avaient certainement de l'eau, liquide ou sous forme de vapeur, mais la photodissociation causée par les ultraviolets l'a transformé en hydrogène et oxygène. Finalement, les gaz plus légers s'échappent, selon la masse et la température de la planète, ce qui donne une composition finale différente de l'une à l'autre planète :

• l'intense gravité de Jupiter lui a permis de retenir des éléments légers comme l'hydrogène et l'hélium en quantité importante, deux éléments quasiment absents de la Terre ou de Mars ;
• la distance au Soleil détermine la température des gaz atmosphériques. Plus la température est élevée plus les gaz ont une énergie cinétique importante qui leur permet d'atteindre la vitesse de libération. Ainsi des corps célestes comme Titan, Triton et Pluton ont pu retenir une atmosphère parce qu'ils sont des mondes particulièrement froids, même s'ils ont une faible gravité. Les températures basses permettent aussi de congeler les gaz dans la croûte ou les calottes polaires pour être relâchés lentement par sublimation plus tard.

L'atmosphère d'une planète est par conséquent influencée par sa masse, sa distance au Soleil et les interactions de ses composants chimiques sur une période de plus de 4 milliards d'années. Mais ce n'est pas tout, le vent solaire, constitué de particules ionisées particulièrement énergétiques, arrache les éléments les plus légers par collision, effet diminué par l'existence d'un champ magnétique planétaire susceptible de le dévier. Il en est ainsi pour la Terre au contraire de d'autres planètes comme Vénus qui n'en possèdent pas.

Enfin, la vie est un facteur important dans la composition de l'atmosphère. En introduisant des réactions chimiques qui n'existaient pas entre les gaz originels, la biosphère modifie la composition indépendamment des caractéristiques propres du corps céleste. Par exemple sur Terre, citons la production d'O₂ par les végétaux chlorophylliens, le recyclage de cet oxygène en CO₂ par les organismes vivants.

Importance

Pour un géologue, l'atmosphère est un agent évolutif essentiel à la morphologie d'une planète. Le vent transporte des poussières qui érodent le relief et laissent des dépôts. Le gel et les précipitations, qui dépendent de la composition, façonnent aussi le relief. Pour le météorologue, la composition de l'atmosphère détermine le climat et ses variations. Pour le biologiste, la composition est intimement liée à la naissance de la vie ainsi qu'à son évolution. La recherche de planètes hors du dispositif solaire mènera à se demander si elles ont une atmosphère et quelle est sa composition.

Histoire

Après la formation de la Terre, suite au dégazage des roches, le CO₂ était bien plus abondant qu'aujourd'hui donnant la possibilité ainsi un effet de serre énormément plus important. Cet effet a permis de maintenir une température moyenne proche de celle d'aujourd'hui (∼ 15 °C). Au fur et à mesure, l'intensité du soleil a augmenté et le niveau de CO₂ a diminué à cause du cycle du carbone qui a transformé la majorité du gaz sous forme de roches carbonatées. À l'heure actuelle on trouve seulement des traces de CO₂ dans l'air. D'autre part, le développement intense de la vie sur Terre (il y a environs 2 milliards d'années) a favorisé l'augmentation du dioxygène dans l'atmosphère grâce à la photosynthèse des plantes. Le cycle du carbone et le développement de la vie explique que notre atmosphère actuelle est composée essentiellement de diazote N₂ et de dioxygène O₂.

Voir aussi

• Évaporomètre
• Ligne de Kármán
• Ionosphère

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